基于气浮润滑的工业缝纫机针杆无油化及运动性能研究

摘要

随着工业缝纫机对高速化与无油化要求的提出，将刺布机构中支承针杆的轴套改造成气浮型的是实现无油润滑的关键突破。前期研究的4孔/周型轴套虽实现了气浮无油化，但针杆的高速运动对气浮轴承的刚度和稳定性有更高的要求，因此，实现缝纫机的高速化及气浮轴套的高刚度是两个关键目标，具有重大实际意义。
　　作者首先建立缝纫机头部分的3D模型对针杆运动仿真，并在负荷下动态分析，得到针杆位置、速度、反作用力随时间节点的变动曲线，其是后期气体动态数值计算的依据。
　　考虑到缝纫机各连接部件间的相互作用力经累积最终通过刚性连接柱完全传递给针杆使其运动方向发生偏移，影响了缝纫机高速化的实现。因此，作者将刚性连接柱改造成由柔性铰链组成的一种精密微位移装置—柔性联接装置，来削弱外力对针杆运动的影响，为实现高速化创造条件。首先，对该柔性装置的结构进行了设计，其次，确立对其性能影响最大的参数，然后推导计算出该装置输出端带动针杆实现的微位移范围及在外力下所具的强度，最后，通过ANSYS分析，用其所得值来证实设计理论的合理性，并分析数值精度。对比发现，仿真分析结果误差较小，接近于理论计算结果，因此该装置有较大可靠度。
　　为提高气浮轴套在针杆高速下的刚度及稳定性，作者在前期所研究的基础上，设计了两种新的气浮轴套:一种是6孔/周型轴套，其比以往研究的小孔型轴套不仅提高了气体承载力，还提高了刚度;另一种是狭缝型轴套，其最大特点是在一定承载力下具有高刚度。首先，对气浮轴套的结构和技术方案进行设计，并建立了针杆在轴套中整体平移与倾斜下的物理模型，拟合气膜曲面;其次，推导出气浮润滑静态控制方程、动态控制方程和静特性表达式，并设定气膜边界条件和流量平衡关系;接着，通过分别对静态控制方程和动态控制方程的差分离散，借助Matlab利用二分法迭代对针杆整体平移下的静特性和针杆倾斜下的动特性进行数值计算与分析;最后，设计轴套加工工艺制造成品，通过设计与搭建实验平台，测试多套气浮轴套在偏移下的承载力值并进行记录，将所得实验数据处理后与理论计算结果比较，以验证理论数值分析的可靠性。通过对比，实验测得值与理论值相差不大，说明所设计的轴套可以满足预期的要求。

目录

摘要

1 绪论

1．1 综述

1．2 工业缝纫机的无油化探究背景及现况

1．2．1 课题背景

1．2．2 课题国内外研究现状

1．2．3 工业缝纫机未来发展的方向

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 本课题研究的主要内容

1．5 本章小结

2 工业缝纫机针杆的动态解析

2．1 工业缝纫机的构架与运作机理

2．1．1 工业缝纫机的结构

2．1．2 工业缝纫机的工作原理

2．2 刺布机构的分析

2．3 刺布针杆的动态模拟和特性解析

2．3．1 刺布机构的实体空间建模及运动模拟

2．3．2 针杆运动下的性能解析

2．3．3 针杆动态下的力学性能解析

2．4 本章小结

3 针杆联接装置的柔性化研究与分析

3．1 柔性铰链简介及课题应用

3．2 柔性联接装置的运用背景及结构设计

3．2．1 柔性联接装置的结构设计

3．2．2 柔性铰链性能参变量的剖析和确立

3．2．3 柔性联接装置的结构及性能参量计算

3．3 柔性联接装置的模拟分析

3．4 结论

3．5 本章小结

4 针杆的气体润滑与数学建模

4．1 气浮轴承简介

4．2 气浮润滑原理和气体轴承的分类

4．3 刺布针杆的气浮轴套方案

4．4 狭缝型轴套的气流运动机制

4．5 气体润滑的基本假设

4．6 针杆整体平移下的静态数学建模

4．6．1 物理模型的建立

4．6．2 气膜曲面的拟合

4．6．3 气浮轴承控制方程式的推演

4．7 针杆倾斜的动态数学模型

4．7．1 物理模型的建立

4．7．2 气膜曲面拟合

4．7．3 气体轴承动态控制方程式的推演

4．8 边界条件

4．9 流量平衡

4．10 静特性的求解

4．11 本章小结

5 针杆整体平移下的气浮静特性分析(小孔，狭缝)

5．1 数值计算方法的选择

5．2 气体轴承的数值运算与解析

5．2．1 气膜的网格划分

5．2．2 气体润滑控制方程的离散

5．2．3 边界条件的设定

5．2．4 气浮轴承数值运算的解析思路

5．3 计算实例1

5．3．1 6孔／周型轴套计算模型

5．3．2 计算结果及分析

5．3．3 不同周向孔数对气浮轴套静特性的影响

5．3．4 结论

5．4 计算实例2

5．4．1 狭缝型轴套计算模型

5．4．2 计算结果及分析

5．4．3 缝长差异下的气浮轴套静态特征比较

5．4．4 不同气膜间隙下气浮轴套的静特性比较

5．4．5 结论

5．5 小孔型与狭缝型气浮轴套的静特性比较

5．6 本章小结

6 针杆倾斜下的气浮动特性研究(狭缝)

6．1 气体轴承的数值运算与解析

6．1．1 气膜的网格划分

6．1．2 气体润滑控制方程的离散

6．1．3 边界条件的设定

6．1．4 气浮动态控制方程的数值解析过程

6．2 计算实例1

6．2．1 计算模型

6．2．2 计算结果及分析

6．2．3 结论

6．3 计算实例2

6．3．1 计算模型

6．3．2 计算结果及分析

6．3．3 结论

6．4 本章小结

7 气浮轴套的结构设计及试验探究

7．1 气浮轴套的结构设计与工艺技术方案

7．1．1 气浮轴套的的结构设计

7．1．2 气浮轴套工艺技术实施方案

7．2 实验装置的结构与原理

7．3 实验方案

7．4 实验结果与分析

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 课题不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的专利和论文

致谢

声明

附录